CN109541510A - 一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法及装置，通过阵列接收固定位置处测试源的辐射信号，在0～360°范围内以一定步进依次改变每个接收通道相位，其余通道保持不变，测量接收信号功率之和随接收通道单元相位变化的功率值，经过一定的计算与数据处理依次得到各通道单元需要补偿的相位与幅度，完成对阵列辐射计通道幅相的精确校准。此方法在校准时只需测量各通道功率和，相对于相位测量实现简单，且在校准时天线单元和测试源均不动，易于实现快速实时校准。整个装置较为简单，可实施性强。该校准方法与装置可消除阵列辐射计中由各通道元器件差异及使用环境引起的机械误差，具有简单实用，实时快速的特点。

Description

一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法及装置

技术领域

本发明涉及系统测量与校准技术领域，尤其涉及一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法及装置。

背景技术

随着天线技术及现代电子设备的发展，相控阵得到了广泛的应用。相比于传统的单天线，相控阵天线具有许多优点，可以通过调节每个单元的相位实现对指定目标的探测与跟踪，但是也会产生相应的问题，作为一个庞大的电子系统，相控阵包含成百上千个天线单元及对应的通道，由于各通道本身元器件物理特性及加工精度的不一致性，各通道之间的幅度相位与预期存在一定偏差，影响波束形成与波束扫描的精度。如何保证各个单元被正确地激励对于相控阵系统来说至关重要。所以定期的对阵列进行校准就显得特别重要，它对于保证相控阵系统正常工作具有重要意义。

目前常见的阵列校准方法有2种，一种是远场比较法，这种方法测试准确、速度快，但需要较大的暗室场地，测试平台限制因素较高，除此之外，这种方法只能测出最终方向图，无法对阵列各个通道进行校准。另一种是近场扫描法，通过探头对阵列闭合面上电场的采样，经过数值计算得到远场的方向图，这种方法不受暗室规模大小限制，但对测试设备要求精度高，测试系统复杂，测试时间长。

除了这两种方法，近年来也兴起了一些新的测试方法：

互耦校准法，1989年由H.M.Auman在“Phased Array Antenna Calibration andPattern Prediction Using Mutual Coupling Measurements”一文中首先提出，该方法的思想是利用自身单元间的互耦效应，在测量时一个单元发射附近单元接收，根据信号相对幅相确定补偿量，这种方法的优点是在测试过程中不需要引入额外测试天线，但由于其需要对每个通道进行单独开关控制，因此只适用于各通道可单独收发的相控阵系统。

换相测量法，20世纪80年代中期由俄罗斯科研机构提出，一次测量在不同配相状态下的接收信号幅度和相位，通过解矩阵方程对数据处理来确定任意配相状态下各通道激励的幅相，从而复原所有的方向图。2012年尚军平在“A Novel Fast Measurement Methodand Diagnostic of Phased Array Antennas”文献中对该方法进行了改进，对移相器建立串联延迟线模型，使用控制电路编码算法控制开关通断，并以Hadmard矩阵解码，得到唯一解。这种方法不足之处在于会引入对相位的测量，增加了测试的复杂度。

四相幅度校准法，2016年北京理工大学的王焕菊提出了一种适用于相控阵天线的快速校准方法，该方法对每个单元依次改变相位4次，通过对单元数为N的阵列测量4(N-1)次，得到每一次情况下的信号幅度和，经过数学计算完成对所有通道的校准。这种方法速度快，但多用于数字移相器，由数字移相器引入的量化误差会影响此方法的测量精度，且计算过程相对复杂，在最后求解相位时需要考虑解的多值性问题。

考虑到在实际阵列辐射计系统中，各通道的接收信号会经合路器后直接进行功率检波，因此无法对单个通道进行开关控制，且辐射计系统所用移相器为模拟移相器，同时为了减少测试设备，需要一种合适的快速、简单、易实施的阵列辐射计通道幅相校准方法及装置。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法及装置，通过直接测量合路后的各通道信号功率和来实现对所有通道的幅相校准，整个过程简单易操作，使用点源聚焦可直接得到每个通道的初始相位值，避免了复杂的数学计算处理，校准装置复杂度及成本低，且不需要额外的测试仪器，实用性强，可以实现对工程应用中阵列辐射计的快速幅相校准。

本发明的一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法，包括如下步骤：

步骤1，将支撑架通过螺钉固定在阵列辐射计接收阵面四个角上，测试源通过支架支撑使其固定在阵列辐射计阵面正前方空间某一位置，且处于辐射计近场距离范围内，控制电源开关使测试源辐射包括校准频率在内的具有一定带宽的射频信号，射频信号根据阵列辐射计系统的工作频率而定，则第i个通道单元接收到的辐射源信号为：

式中，A_i为接收到的信号幅度，为通道i的固有初始相位，f为前端接收机中心频率。

步骤2，保持其余接收通道不变，对第i通道在0～360°范围内以一定步进即1°依次改变相位增量Δ，则加入相位增量后第i通道接收到的信号为：

步骤3，测量随相位增量变化的各通道接收功率之和S，并对功率测量数据进行均值处理后按照y＝Acos(x+x₀)+B形式进行曲线拟合，其中y为测量功率和的拟合结果，A为信号幅度值，x为第i通道的相位增量,x₀为信号初始相位值，B为信号幅度偏置，通过索引得到各通道接收功率和的最大值S_max，最小值S_min及取得最大值时对应的相位增量Δ_i，此时Δ_i即为通道i需要补偿的相位值，计算机控制移相器将通道i的相位增量变为Δ_i，完成对第i通道的相位校准。

步骤4，根据步骤3索引的S_max，S_min，Δ_i通过计算得到通道i的归一化初始幅度E_i：

式中其中r为相位增量Δ变化时最大电压与最小电压比值,Γ为信号反射系数。

步骤5，根据步骤4得到的归一化幅度值得到相对于第1通道的幅度E_i'：

以第1通道为基准通过调节衰减器完成对该通道的幅度校准。

步骤6，重复步骤2至步骤5，依次完成对所有通道的相位增量补偿和幅度调节。

步骤7，根据实际工程应用中的需求，循环进行有限次的迭代校准操作，直至满足系统提出的校准指标要求。

至此，实现了对阵列辐射计通道的幅相校准。

本发明还提供了一种简单实用的校准装置，如图1所示，包括阵列辐射计1，测试源2，支架3，电源4。

支架3通过螺钉固定在阵列辐射计1接收阵面四个角上，测试源2通过支架3支撑使其固定在阵列辐射计1阵面正前方空间某一位置，且处于辐射计校准频率的近场距离范围内，通过电源4控制测试源发射包含校准频率在内的一定带宽的射频信号，阵列辐射计1内部的的功率采集板采集辐射计前端接收到的合路后功率信号并通过PCI总线与辐射计内部的计算机进行数据交互。计算机通过控制阵列辐射计1的模拟移相器来控制各通道的相位增量，并接收由功率采集板卡采集到的各通道功率和数据，根据各通道相位依次改变时总功率的变化情况得到每个通道的初始幅度和需要补偿的相位增量，实现对阵列辐射计1的幅相校准。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)依次改变每个通道相位值获取功率和的变化情况，适用于无法对各通道进行单独测试的阵列辐射计系统，且经过均值处理和曲线拟合可直接得到各通道需要补偿的相位增量，并经简单数学运算得到每个通道相对于第1通道的归一化幅度值，无需知道各通道初始相位值和初始幅度值，校准过程简单，避免了复杂的数学计算；

(2)校准过程无需测量相位，校准装置除待测阵列辐射计外只需要一个固定支架和测试源，不需要借助外部测量仪器，组成简单，成本低，易于工程实现；

(3)整个校准过程从改变相位，功率采集，计算机存储到曲线拟合及数据处理对于256通道阵列用时约为2分钟，且可根据校准指标要求反复进行迭代操作，这有利于校准精度的提高，能够实现对阵列的快速实时校准。

附图说明

图1为本发明的校准装置组成示意图；

图2为对16单元阵列辐射计的第1通道以1°为步进进行0～360°相位改变时的原始采集数据及均值处理后的拟合数据图；其中a为经功率检波后的原始采集数据图，b为对原始采集数据进行均值处理和曲线拟合后的功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

以一维16阵元为例，设阵列辐射计校准后的系统通道相位残余误差指标要求为

式中Δθ_i为第i通道校准后的相位残差，为N个通道校准后相位残差的平均值。

步骤1，将支架通过螺钉固定在阵列辐射计1接收阵面四个角上，测试源2通过支架支撑使其固定在阵列辐射计1阵面正前方空间某一位置，使其位于阵列辐射计1阵面前区域内且满足近场条件。

步骤2，打开电源4开关，使测试源辐射包括校准频点在内的具有一定带宽的射频信号。

步骤3，阵列辐射计1上电，所有通道处于接收状态，此时各通道接收到的初始信号矢量电场为16阵元初始电场矢量和为

步骤4，其余通道保持不变，在0～360°范围内以1°步进依次改变通道1的相位增量Δ，此时电场矢量和变为计算机采集16通道功率检波后的归一化功率和

其中X₁＝Φ₁-Φ₀为通道1相对于初始电场矢量和的归一化初始相位值，为通道1相对于初始电场矢量和的归一化初始幅度值。由于X₁、k₁均为常数，因此γ₁、Δ₁也均为常数，归一化的功率和随相位增量Δ的变化是一条余弦曲线。图2中a为16单元通道原始功率和采集数据随第1通道相位的变化情况，在0～3.5s的采集时间内检测到的功率和呈余弦变化。

步骤5，对步骤4采集的原始功率数据进行均值处理降噪后按照y＝A cos(x+x₀)+B形式进行曲线拟合，其中y为测量功率和的拟合结果，A为信号幅度值，x为对应变化通道的相位增量，x₀为信号初始相位值，B为信号幅度偏置。图2中b为对均值处理后数据进行曲线拟合得到的图。索引拟合后曲线的最大值P_max，P_min及取得最大值P_max时对应的相位增量则即为第1通道需要补偿的相位值，将通道1的相位增量变为此时即完成对第1通道的相位校准。

如图2，阵列辐射计第1通道原始功率采集数据及均值处理后的拟合数据；

步骤6，根据索引拟合后曲线的最大值P_max，P_min及取得最大值P_max时对应的相位增量求出通道1的初始幅度值由于当Q1取得最大值时，根据余弦函数特性，有成立，因此其中 r为相位增量Δ变化时最大电压与最小电压比值,Γ₁为信号反射系数。以第1通道为基准，调节该通道对应的衰减器，使其归一化幅度与第1通道归一化幅度相同。

步骤7，保持其余通道不变，按照步骤4至步骤6依次对第2通道至第16通道进行校准，得到各通道的需要补偿的相位增量值归一化初始幅度值k_i,i＝2,3,..,16。此时完成对所有16单元通道的1次幅度相位校准。

步骤8，对16单元通道在第1次校准的基础上再次重复步骤4至步骤7，进行4次循环校准，每次校准后的通道相位残余误差如表1，最终误差在3°以内，满足阵列辐射计校准后对通道相位残余误差的要求。

表1，4次循环校准后通道的相位残余误差的标准差；

表1

校准次数	0	1	2	3	4
						通道相位残差	26.4	11.2	4	2.7	2.7

总之，本发明通过阵列接收固定位置处测试源的辐射信号，在0～360°范围内以1°步进依次改变每个接收通道相位，其余通道保持不变，测量接收信号功率之和随接收通道单元相位变化的功率值，经过一定的计算与数据处理依次得到各通道单元需要补偿的相位与幅度，完成对阵列辐射计通道幅相的精确校准。此方法在校准时只需测量各通道功率和，相对于相位测量实现简单，且在校准时天线单元和测试源均不动，易于实现快速实时校准。整个装置较为简单，可实施性强。该校准方法与装置可消除阵列辐射计中由各通道元器件差异及使用环境引起的机械误差，具有简单实用，实时快速的特点。

需要理解到的是，上述实施案例仅是对本发明的思路进行了比较详细的文字描述，并非就此局限本发明的保护范围。凡是在本发明设计思路内的任何增加、修改、等同替换等，均应在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于阵列辐射计通道幅相校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将支撑架固定在阵列辐射计接收阵面四个角上，测试源通过支架支撑固定在阵列辐射计的阵面正前方空间某一位置，且处于阵列辐射计近场距离范围内，控制电源开关使测试源辐射包含校准频率在内的具有一定带宽的射频信号，射频信号根据阵列辐射计系统的工作频率而定，

则第i个通道单元接收到的测试源信号为：

式中，A_i为接收到的信号幅度，为通道i的固有初始相位，f为前端接收机中心频率；

步骤2，保持其余接收通道不变，对第i通道在0～360°范围内以一定步进依次改变相位增量Δ，加入相位增量后第i通道接收到的信号为：

步骤3，测量随相位增量变化的各通道接收功率之和S，并对功率测量数据进行均值处理后按照y＝Acos(x+x₀)+B形式进行曲线拟合，其中y为测量功率和的拟合结果，A为信号幅度值，x为对应变化通道的相位增量，x₀为信号初始相位值，B为信号幅度偏置，再通过索引得到各通道接收功率和的最大值S_max、最小值S_min及取得最大值时对应的相位增量Δ_i，此时Δ_i即为通道i需要补偿的相位值，控制移相器将通道i的相位增量变为Δ_i，完成对第i通道的相位校准；

步骤4，根据各通道接收功率和的最大值S_max、最小值S_min及取得最大值时对应的相位增量Δ_i，计算得到通道i的归一化初始幅度E_i：

式中其中r为相位增量Δ变化时最大电压与最小电压比值,Γ为相位增量Δ变化时的信号反射系数；

步骤5，根据步骤4得到的归一化幅度值得到通道i相对于第1通道的幅度E_i'：

以第1通道为基准通过调节衰减器完成对所述通道i的幅度校准；

步骤6，重复步骤2至步骤5，依次完成对所有通道的相位增量补偿和幅度调节；

步骤7，根据实际工程应用中的需求，循环进行迭代校准操作，直至满足提出的校准指标要求，实现对阵列辐射计通道的幅相校准。

2.根据权利要求1所述的适用于阵列辐射计通道幅相校准方法，其特征在于：所述步骤2中，所述一定步进为1°。

3.一种实现权利要求1所述校准方法的校准装置，其特征在于，包括：阵列辐射计、测试源、支架和电源；

支架固定在阵列辐射计接收阵面四个角上，测试源通过支架支撑固定在阵列辐射计阵面正前方空间某一位置，且处于辐射计近场距离范围内，用电源控制测试源发射包含校准频率在内的具有一定带宽的射频信号，阵列辐射计对前端接收到的合路信号功率进行检波，采集板采集功率并通过PCI总线将数据传输给阵列辐射计自带的计算机进行处理，根据每个通道相位依次改变时各通道功率和的变化情况，在计算机中进行均值处理和曲线拟合，并通过计算得到各通道的初始幅度和需要补偿的相位增量，计算机通过控制阵列辐射计各通道后接的移相器来控制相位增量，通过控制衰减器调节各通道幅度值大小，实现对阵列辐射计通道的幅相校准。